450 dolarlık yazıcı 100 katmanlı canlı bakteri yapıları basıyor

Bir laboratuvarın en pahalı kalemlerinden biri çoğu zaman biyolojik malzemeyi katman katman basan cihazdır. Rochester Üniversitesi'nden Anne Meyer'in ekibi ise piyasada yaklaşık 450 dolara satılan türden masaüstü bir plastik 3B yazıcıyı alıp ayıkladı, yerine bir şırınga pompası taktı ve sonuçta 100 katmana ulaşan canlı bakteri yapıları bastı.

Haber başlıklarındaki "canlı doku" ifadesi akla insan organlarını getiriyor, ama çalışmanın kendisi daha mütevazı ve bir o kadar da ilginç: basılan şey bakteri, amaç ise sentetik biyoloji ve biyofilm araştırması yapan küçük laboratuvarların pahalı ekipman yüzünden bu alandan dışarıda kalmaması. Yazı, ACS Applied Polymer Materials dergisinde yayımlandı; yazarlar arasında Cornell Üniversitesi'nden Meredith Silberstein de var.

Plastik yazıcıdan biyoyazıcıya

Sıradan bir 3B yazıcı, ısıtılmış bir uçtan eriyik plastik filament akıtır. Meyer'in ekibi bu eriyik plastik bölümünü söküp yerine bir şırınga pompası koydu. Pompa, "biyomürekkep" denen karışımı sıkıyor: yani canlı hücrelerin bir polimer çözeltisiyle karıştırıldığı, basıldıktan sonra jel gibi sertleşen bir sıvıyı.

Üniversitenin bülteninde ve makalenin yayın öncesi sürümünde (bioRxiv) verilen ayrıntılara göre temel alınan cihaz, Creality Ender 3 adlı yaygın bir masaüstü yazıcı. Şırınga pompası, açık kaynaklı Poseidon tasarımından esinlenerek yapılmış; 10 mililitrelik cam bir şırınga ve 26 gauge kalınlığında bir iğne kullanılıyor. Toplam maliyet yaklaşık 450 dolar.

Pompanın bir üstünlüğü de iki yönlü çalışabilmesi. Meyer'in ekibi, şırınganın hem sıvıyı itip hem geri çekebildiğini; bunun da basılan şeklin kenarlarında sızmayı ve yayılmayı önlediğini anlatıyor. Yayın öncesi makale, daha önceki ev yapımı sistemlerde tek katmanlı baskıda bile çizgi genişliğinin yaklaşık 5 kat fazla çıktığını not ediyor.

Asıl hile: basılanı tutan jel

Sıvı bir mürekkebi havaya basarsanız yerçekimi onu hemen çökertir. Çözüm, mürekkebi sıvıyla katı arasında bir "destek banyosu" içine basmak. Ekip bu iş için küçük jel parçacıklarından oluşan bir bulamaç (slurry) geliştirdi. Bulamaç, iğne geçerken akışkan davranıyor, iğne geçtikten sonra yerinde duruyor ve basılan malzemeyi her yükseklikte tutuyor. Yayın öncesi makaleye göre bu bulamaç, kalsiyum klorür içeren agaroz ya da jelatinden yapılıyor: yüzde 1 agaroz veya yüzde 4,5 jelatin, ikisinde de 11 milimolar kalsiyum klorür. Bakteri mürekkebinin içinde ise yüzde 4 sodyum aljinat var; aljinat kalsiyumla temas edince jelleşen bir malzeme olduğu için basılan çizgi bulamacın içinde hızla sertleşiyor.

Bu yaklaşım yeni değil; destek banyosuna basma mantığı FRESH gibi biyoyazıcı tekniklerinde de kullanılıyor ve makalenin yayın öncesi sürümü de bu benzerliğe işaret ediyor. Yenilik, aynı mantığın 450 dolarlık bir düzenekte ve çok daha yüksek yapılara kadar çalışması.

Sayılarla sonuç

Ölçüt	Bildirilen değer
Basılan en yüksek yapı	100 katman (yaklaşık 21 mm yükseklik gösterildi)
Önceki ev yapımı biyoyazıcılar	20 katmandan az (üniversite bülteni)
En küçük öğe boyutu	260 mikrometre
En yüksek en-boy oranı	8'e 1
Bakterilerin yaşadığı süre	besin eklenen bulamaçta en az 28 gün
Bu süredeki canlı koloni miktarı	mililitrede 6,25 × 10 üzeri 5 koloni oluşturan birim

Tablodaki veriler makalenin yayın öncesi sürümünden ve üniversitenin duyurusundan derlendi. Basılan şekiller arasında içi boş silindirler, çıkıntıları ve iç kanalları olan kafes yapılar ve mekanik denemeler için kemik biçimli çekme numuneleri var. Basılan canlılar arasında Escherichia coli'nin birkaç türü yer alıyor: bunların arasında probiyotik olarak bilinen Nissle 1917 ve kendi hücre dışı matrisini üretecek biçimde değiştirilmiş suşlar var.

Neden 28 gün önemli

Basmak işin yarısı; yapının içindeki canlıları yaşatmak diğer yarısı. Üniversite, önceki yöntemlerde basılan bakterilerin yaklaşık dokuz gün sonra öldüğünü, yeni bulamaçla ise dört hafta ya da daha uzun yaşadıklarını bildiriyor. Yayın öncesi makalede bir kontrol de var: yalnızca tuzlu su (PBS) içinde bekletilen örneklerde 28. günde canlı koloni kalmamış, besin ortamı eklenenlerde ise canlı bakteri sayılmış.

Ekip iki ayrı bulamaç hazırlamış: biri basıldıktan sonra yapının kolayca çıkarılması için, öteki yapıyı içinde bırakıp uzun süre kuluçkaya yatırmak için.

Sınırlar ve açık sorular

Birkaç noktayı net söylemek gerek. Birincisi, basılanlar insan dokusu değil, bakteriler. Üniversite haberi "canlı hücreler" diyor, ama makalenin yayın öncesi sürümünde basılan canlılar E. coli. Organ ya da insan dokusu basmak bambaşka bir zorluk düzeyi.

İkincisi, bir ödünleşim var. Yazarlar, besin bol olduğunda bakterilerin yapıdaki hücre dışı matrisi aşırı ürettiğini ve bunun yapının mekanik sağlamlığı pahasına olduğunu yazıyor. Sıvı besin ortamında bekleyen yapılar, mekanik deneyler için fazla kırılgan hâle gelmiş. Yani yapıyı uzun süre canlı tutmak, onu sağlam tutmakla çelişebiliyor.

Üçüncüsü, buradaki ayrıntıların bir bölümü bioRxiv'deki yayın öncesi metinden geliyor; hakemli dergi sürümünde bazı sayılar ya da yöntem ayrıntıları farklı olabilir.

Sırada ne var

Ekip, çizimleri ve yapım talimatlarını GitHub'da paylaştığını söylüyor; yani başka laboratuvarlar da aynı düzeneği kurabilir. Kullanım alanı olarak sentetik biyoloji, biyoteknoloji, doku mühendisliği, çevresel biyosensörler ve biyofilm araştırması sayılıyor; su kirliliğini gidermek ya da atıkları parçalamak için özel bakteriler basmak da bu listede. Açık kalan soru, düzeneğin hangi hücre türleriyle, hangi büyüklükte ve ne kadar tekrarlanabilir sonuçlar vereceği; bunu görmek için bağımsız laboratuvarların aynı yazıcıyı kurup denemesi gerekecek.

Fotoğraf: Gaurav, CC BY 4.0, Wikimedia Commons